Electroturbina: característiques, principi de funcionament, avantatges i contres del treball, consells d'instal·lació de fer-ho tu mateix i comentaris dels propietaris

2024 Autora: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificació: 2024-02-19 12:50

Amb l'enduriment de les normatives mediambientals, els fabricants d'automòbils es veuen obligats a desenvolupar maneres de millorar la compatibilitat amb el medi ambient i l'eficiència dels motors alhora que mantenen el rendiment. En aquest sentit, els sistemes d'inducció forçada s'han generalitzat. Mentre que antigament s'utilitzaven per augmentar la productivitat, ara s'utilitzen com a mitjà per millorar l'economia i el respecte al medi ambient. Gràcies a la sobrealimentació, pots aconseguir el mateix rendiment que en els motors atmosfèrics, amb menys cilindres i un volum més petit. És a dir, els motors sobrealimentats són més eficients. Un altre mètode és l'ús d'energia elèctrica tant per separat (motors elèctrics) com en combinació amb motors de combustió interna (centrals híbrides). Aquest article tracta sobre les turbines elèctriques que combinen aquests enfocaments.

Funcions generals

Els sistemes d'inducció forçada no elèctrics segons la font d'energia es classifiquen en turbocompressors i sobrealimentadors. Els sistemes elèctrics es basen en ells i tenen com a objectiu millorar el rendiment durant els transitoris.processos i minimitzar els retards.

El bufador elèctric, segons Honeywell, és un compressor accionat per un motor elèctric que està muntat en un motor sobrealimentat. És a dir, aquest és un dispositiu addicional per a un motor turbo. Una turbina elèctrica és un anàleg d'una turbina mecànica. La unitat en aquest cas es pot implementar de diferents maneres.

Segons la classificació dels investigadors de la Universitat de Wisconsin-Madison, els sistemes elèctrics d'inducció forçada es diferencien en els següents tipus segons el disseny i el principi de funcionament:

• bufadors elèctrics (EC/ET/ES);
• turbines amb assistent elèctric (EAT);
• turbines separades elèctricament (EST);
• turbines amb compressor d'accionament elèctric addicional (TEDC).

Disseny

Els tipus de turbines elèctriques anteriors tenen un disseny diferent. Això rau en els diferents dissenys dels components, en les diferències en els seus paràmetres tècnics, etc.

EC

EC és un compressor accionat per motor elèctric. Aquest és el ventilador elèctric esmentat anteriorment. L'accionament elèctric proporciona la màxima flexibilitat de control i la capacitat de fer funcionar el compressor en el punt de funcionament òptim. Tanmateix, això requereix components elèctrics potents.

EAT

A EAT, es munta un motor elèctric d' alta velocitat entre la turbina i el compressor, normalment en un eix. A causa del fet que no és la principal font d'energia, s'utilitzencomponents elèctrics de baixa potència. Això es tradueix en un baix cost. A més, aquests turbocompressors tenen la capacitat d'autodetectar la posició del rotor i es caracteritzen per una bona capacitat de generació i motor. El principal problema és l'efecte de l' alta temperatura sobre el motor elèctric, sobretot si s'instal·la dins de la carcassa.

Hi ha diversos mètodes per resoldre'l. Per exemple, BMW va instal·lar embragatges per permetre connectar i desconnectar el motor elèctric de l'eix. Gràcies a això, el motor es pot col·locar fora de la turbina. G+L inotec va utilitzar un motor d'imant permanent amb un gran espai d'aire, que també es pot localitzar a l'exterior. El diàmetre interior de l'estator és igual al diàmetre exterior del compressor i el diàmetre exterior del rotor és igual al diàmetre de sortida de l'eix. L'entrefer pot actuar com a entrada d'aire. Això proporciona avantatges en termes de refrigeració, inèrcia i efecte tèrmic. A més, pel que fa a l'estabilitat tèrmica i el control tèrmic, els motors elèctrics d'inducció amb resistència magnètica variable i els motors de col·lector universal són més preferibles en comparació amb un motor amb imants permanents de superfície.

EST

A l'EST, la turbina i el compressor no estan connectats per un eix, i cadascun d'ells està equipat amb un motor elèctric. Això permet que les rodes del compressor i de la turbina funcionin a diferents velocitats. Aquest disseny té avantatges similars a ET, però, a diferència d'ell, és capaç de generar energia. A més, ellaTé menys efecte tèrmic a causa de la separació del compressor i la turbina, així com l'absència d'inèrcia addicional de la turbina i el seu eix. Separar la turbina i el compressor és avantatjós des del punt de vista de l'embalatge, ja que permet optimitzar el recorregut del flux d'aire. Tanmateix, aquesta tecnologia també requereix un motor elèctric potent, un generador i inversors per complir la relació parell/inèrcia, que té un cost.

TEDC

TEDC és una turbina mecànica amb un compressor addicional accionat per un motor elèctric. Segons la ubicació del compressor respecte a la turbina, aquests sistemes es classifiquen en opcions aigües amunt i aigües avall (damunt i sota de la turbina, respectivament). En general, es caracteritzen per una resposta significativament millor durant els transitoris a la "inferior" a causa de la independència del motor elèctric de la inèrcia de la turbina i l'eix. A més, els TEDC aigües avall són superiors en aquest sentit a les opcions aigües amunt a causa del fet que aquestes últimes es caracteritzen per un gran volum per mantenir la pressió. Un altre avantatge d'aquest tipus de turbines elèctriques són les mínimes diferències respecte a les mecàniques.

Principi de funcionament

Els tipus de turbines elèctriques anteriors difereixen pel principi de funcionament. Per tant, l'accionament s'implementa de manera diferent, alguns d'ells són capaços de generar energia, etc.

EC

A EC, el compressor és accionat per un motor elèctric. Aquest sistema no és capaç de generar energia, sinó per la sevaL'emmagatzematge es pot combinar amb un sistema de frenada regenerativa o un generador d'arrencada integrat.

EAT

A l'EAT a baixes rpm, el motor elèctric proporciona un parell addicional al compressor per augmentar la pressió de sobrealimentació. Als "cims" genera energia que es pot transferir a l'emmagatzematge. A més, el motor elèctric pot evitar que la turbina superi el seu límit de velocitat. Tanmateix, es pot produir un efecte de contrapressió elevada, que compensa l'energia extreta dels gasos d'escapament.

A causa de la possibilitat de generar electricitat a partir dels gasos d'escapament, aquests turbocompressors s'anomenen híbrids. Als turismes, depenent del cicle de conducció, poden generar des de diversos centenars de watts fins a kW. Això us permet substituir l' alternador alhora que estalvieu combustible.

EST

A l'EST, l'energia dels gasos d'escapament no impulsa directament el compressor, sinó que es converteix en energia elèctrica mitjançant un generador. El compressor és impulsat per l'energia emmagatzemada.

TEDC

En el TEDC, el motor elèctric funciona independentment de la turbina, i el compressor addicional accionat per ella serveix per augmentar l'impuls a la "baix".

Disseny i diferències funcionals

Les diferències fonamentals entre els sistemes elèctrics considerats d'inducció forçada són combinades per investigadors de la Universitat de Wisconsin-Madison en forma gràfica i tabular. La figura següent mostra els diagrames del seu dispositiu (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC aigües amunt, e - TEDC aigües avall).

La taula reflecteix les principals disposicions del dispositiu. Aquests inclouen la font d'energia, l'accionament del compressor, la potència dels components elèctrics. A més, són importants qualitats com ara les dimensions i l'efecte de la temperatura.

Tipus	EC	EAT	EST	TEDC
Font d'alimentació	Bateria	Gasos d'escapament/bateria	Gasos d'escapament/bateria	Gasos d'escapament/bateria
Potència del motor elèctric i del inversor	Alt	Baix	Alt	Baix
Efecte de temperatura	Baix	Alt	Baix	Baix
Talla	Petit	Mitjana	Gran	Gran
Turbina elèctrica	No	Sí	Sí	No
Accionament del compressor turboelèctric	No	Sí	No	No

Així, les tecnologies EAT i EST pertanyen a les turbines elèctriques. EC tal com eraassenyalat: un mecanisme separat, TEDC: un sistema de turbocompressió convencional equipat amb ell.

Pros i contres

L'accionament de la turbina mitjançant un motor elèctric elimina els principals inconvenients dels turbocompressors mecànics.

• Sense retard, ja que el motor elèctric pot fer girar el rotor molt ràpidament.
• No hi ha turbo lag causat per la manca de gasos d'escapament, ja que en aquest cas el motor elèctric compensa la manca d'energia.
• El motor elèctric us permet mantenir l'impuls durant els transitoris com l'anti-lag sense els efectes negatius d'aquest últim.
• Això proporciona un ampli rang de funcionament i un parell constant.
• Alguns tipus d'aquests mecanismes poden generar electricitat, reduint la càrrega del generador i reduint el consum de combustible.
• La recuperació de l'energia perduda és possible, tal com va implementar Ferrari al motor de Fórmula 1.
• Les electroturbines funcionen en condicions més suaus i a velocitats més baixes (100 mil en lloc de 200-300 mil).

No obstant això, aquesta tecnologia té diversos inconvenients.

• Gran complexitat de disseny, incloent motor i controladors.
• Això provoca un cost elevat.
• A més, la complexitat del disseny afecta la fiabilitat.
• A causa de la gran quantitat d'elements estructurals (a més de la turbina, això inclou un motor elèctric, controladors, bateria), aquests turbocompressors són molt més grans i pesats que els convencionals.

A més, cada tipus de turbina elèctrica es caracteritzafuncions específiques.

Tipus	EC	EAT	EST	TEDC aigües amunt	TEDC aigües avall
Dignitat	Flexibilitat de control; flexibilitat de disseny; manca d'inèrcia de l'eix; sense wastegate; sense contrapressió	Compacte; motor i inversor de baixa potència; sense wastegate	Flexibilitat de control; flexibilitat de disseny; manca d'inèrcia de l'eix; sense wastegate	Fàcil d'instal·lar; manca d'inèrcia de l'eix; motor i inversor de baixa potència; Millora contínua del rendiment	Millor resposta transitòria; fàcil d'instal·lar; motor i inversor de baixa potència; Millora contínua del rendiment
Defectes	Motor i inversor d' alta potència; baixa eficiència	La necessitat de refrigeració addicional; inèrcia addicional de l'eix; augment del límit d'acceleració a causa de la contrapressió	Motor i inversor d' alta potència; pèrdua d'energia durant la conversió; límitboost boost a causa de la contrapressió; requereix espai d'instal·lació addicional	Resposta transitòria no molt ràpida; requereix espai d'instal·lació addicional; baixa eficiència	Requereix espai d'instal·lació addicional; baixa eficiència

Pel que fa a la durabilitat, segons IHI, les turbines elèctriques seran equivalents a les mecàniques pel fet de funcionar en les mateixes condicions en un mode més suau i amb una major complexitat de disseny.

Rellevància

Malgrat el bon rendiment, actualment les turbines elèctriques no s'utilitzen àmpliament als cotxes de producció en sèrie. Això es deu al seu alt cost i complexitat. A més, les versions millorades de turbines mecàniques (twin scroll i de geometria variable) presenten avantatges similars respecte a les modificacions inicials (encara que en menor mesura) a un cost molt inferior. Ara EST utilitza Ferrari al motor de Fórmula 1. Segons Honeywell, l'ús massiu de turbines elèctriques començarà a principis de la propera dècada. Cal tenir en compte que els sobrealimentadors elèctrics ja s'utilitzen en alguns vehicles de producció, com el Honda Clarity, ja que són més senzills.

Els mecanismes més senzills i casolans

A principis de la dècada, van aparèixer al mercat màquines senzilles i barates com els refrigeradors d'ordinador, també anomenades turbines elèctriques. Es troben a l'entrada i funcionen amb piles. És possible utilitzar aquestes turbines elèctriques tant al carburador com a l'injector. Segons els fabricants, augmenten el flux d'aire que entra al motor, accelerant-lo, la qual cosa dóna un augment de rendiment de fins a un 15%. En aquest cas, els paràmetres (revolucions, cabal, potència) no s'acostumen a indicar. És molt fàcil instal·lar aquestes turbines elèctriques en un cotxe amb les teves pròpies mans.

No obstant això, en realitat, els seus motors elèctrics desenvolupen fins a diversos centenars de watts, cosa que no és suficient per augmentar el volum de cabal, ja que això requereix uns 4 kW. Per tant, aquest dispositiu es convertirà en un greu obstacle a l'entrada, de manera que, per contra, es reduirà la productivitat. En el millor dels casos, les pèrdues seran petites, cosa que no afectarà significativament la dinàmica.

A més, a Internet podeu trobar novetats sobre la creació d'una turbina elèctrica amb les vostres pròpies mans. A diferència de les opcions econòmiques esmentades anteriorment, es construeixen sobre la base d'un compressor centrífug i un motor sense escombretes amb una potència de fins a 17 kW i una tensió de 50-70 V, ja que només aquest motor és capaç de proporcionar un parell suficient i velocitat per fer girar el compressor. El motor ha d'anar equipat amb un controlador de velocitat. Aquest sistema no requereix un intercooler: n'hi ha prou amb una ingesta de fred. La instal·lació d'una turbina elèctrica d'aquest tipus pot requerir la substitució d'un generador (per a 90-100 A) i d'una bateria (per una de més capacitat i amb una sortida de corrent elevada). La velocitat de rotació del compressor ve determinada per la posició de l'accelerador. A més, la dependència no és lineal, sinó exponencial.

És aconsellable crear aquest tipus de turbines elèctriques per a cotxes amb motors petits de fins a 1,5 litres, a causa de l'elevat consum energètic. A més, com més gran sigui el volum del motor, menys pressió de sobrealimentació pot crear el compressor. Per tant, en un motor de 0,7 litres, serà de 0,4-0,5 bar, per a 1,5 litres - 0,2-0,3 bar. A més, aquest sobrealimentador no podrà funcionar durant molt de temps al màxim rendiment a causa de la calefacció. Tanmateix, el controlador es pot configurar per forçar l'activació.

A causa de l' alt cost dels components, és molt car fer una turbina elèctrica d'aquest tipus. Les ressenyes indiquen un augment mesurable del rendiment.

Pel que fa al disseny, aquests mecanismes, com les opcions econòmiques esmentades anteriorment, són sobrecarregadors elèctrics. No obstant això, sovint s'anomenen erròniament turbines elèctriques. Ara al mercat hi ha moviments de marca més seriosos que s'apropen al fet a casa.

CV

Les turbines elèctriques són més sensibles, productives i eficients que les mecàniques i tenen característiques addicionals. Al mateix temps, d'una banda, tenen un disseny complicat, però, d' altra banda, funcionen en condicions més benignes.